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基于虚拟样机技术的采煤机截割减速器故障仿真研究

作　者: 杨高宏
导　师: 程珩
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 采煤机截割减速器故障特征提取虚拟样机技术动态特性仿真信号处理
分类号: TH165.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

采煤机截割减速器是采煤机截割部的主要传动装置,承受着较大的力的传递作用。由于截割减速器工作环境恶劣和动载荷过大,常常导致减速器出现故障。因此,进行减速器齿轮箱故障诊断研究对采煤机的正常运行有重要的意义。在齿轮箱故障诊断中,准确地提取各种典型故障的特征是尤为关键的,根据提取的故障信号的特征,提出行之有效的诊断方法,可为齿轮箱智能诊断系统的研制打下良好的基础。但由于齿轮箱系统自身的复杂性和故障的多样性,国内外在这方面的研究还比较薄弱。目前,齿轮箱典型故障特征的提取主要通过大量的实验并结合理论分析来完成的。虚拟样机技术是在建立第一台物理样机之前,利用计算机技术建立机械系统的数学模型,进行仿真分析并给出该系统在模拟真实工况下的各种特性的一种前沿性科学技术。借助虚拟样机技术也可以模拟机械系统的各种故障,通过仿真得到故障系统的各种特性,再与正常系统的各种特性进行比较,从而可以提取模拟故障的故障特征,为该系统的故障诊断提供一定依据。与传统的故障特征提取方法相比,借助虚拟样机技术进行故障特征提取可以节约成本,缩短实验时间,且可以对机械系统各种可能出现的故障进行模拟。鉴于此,本文以某采煤机截割减速器齿轮箱为研究对象,借助虚拟样机技术来进行齿轮箱典型故障特征的提取研究。其结果与齿轮振动机理和信号调制理论等基本相吻合,进而为齿轮箱典型故障特征的提取探索了一种新的方法。主要工作如下:1.基于Pro/E的采煤机截割减速器三维模型的参数化建立。以直齿圆柱齿轮为例,探讨了实现参数化建模的方法;探讨了直齿圆锥齿轮和直齿圆柱内齿轮在建模过程中需要注意的基本要点;最后对减速器进行装配。2.基于ADAMS的采煤机截割减速器动态特性仿真分析。本文借助Pro/E与ADAMS之间的数据转换接口Mechanism/Pro,实现三维模型的导入;通过模拟实际工况施加载荷与约束、选取碰撞参数等实现减速器虚拟样机模型的建立;继而完成了减速器动力学的仿真,其中包括减速器的正常工作状态和含故障工作情形,并对仿真结果进行了初步的分析;最后完成仿真数据的输出,为后期的信号处理奠定了基础。3.根据虚拟样机的模拟仿真结果分析了齿轮箱中的齿形误差和断齿两种典型故障。对含有故障的振动信号进行时域分析和频域分析,通过与正常状态下的振动信号进行比较,从而提取出典型故障的故障特征。其结果与齿轮振动机理和信号调制理论等基本相吻合,进而证明了此方法的可行性,同时也为齿轮箱典型故障特征的提取探索了一种新的方法。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-15
  1.1 选题的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究概况  11-13
    1.2.1 虚拟样机技术及其研究现状  11
    1.2.2 齿轮箱故障诊断技术的研究现状  11-12
    1.2.3 齿轮箱典型故障特征提取的研究现状  12-13
  1.3 本文主要内容  13-15
第二章虚拟样机技术及其理论基础  15-23
  2.1 虚拟样机技术概述  15-17
  2.2 虚拟样机技术的理论基础  17-21
    2.2.1 多体系统动力学理论  17
    2.2.2 多刚体系统动力学的求解  17-21
  2.3 虚拟样机软件ADAMS 介绍  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章采煤机截割减速器三维模型建立  23-33
  3.1 引言  23-25
    3.1.1 Pro/E 软件介绍  23-24
    3.1.2 采煤机截割减速器简介  24-25
  3.2 齿轮的参数化建模  25-30
    3.2.1 渐开线直齿圆柱齿轮三维模型建立  26-28
    3.2.2 齿轮参数化过程及再生方法  28-29
    3.2.3 直齿圆锥齿轮和直齿圆柱内齿轮建模  29-30
  3.3 减速器其它零部件模型的建立及装配  30-31
  3.4 本章小结  31-33
第四章采煤机截割减速器传动系统动力学仿真分析  33-53
  4.1 采煤机截割减速器虚拟样机的建立  33-41
    4.1.1 Pro/E 模型导入ADAMS  33-34
    4.1.2 模型约束的施加  34-35
    4.1.3 齿轮接触力（Contact）仿真参数的确定  35-40
    4.1.4 系统动力和负载的确立  40-41
  4.2 采煤机截割减速器动力学仿真分析及仿真数据的输出  41-52
    4.2.1 减速器无故障时仿真结果分析  41-49
    4.2.2 减速器含故障时仿真结果分析  49-51
    4.2.3 仿真数据的输出  51-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章采煤机截割减速器齿轮箱典型故障特征的提取研究  53-69
  5.1 齿轮系统振动机理分析  53-55
    5.1.1 齿轮系统的简化振动模型  53-54
    5.1.2 齿轮的啮合刚度  54-55
  5.2 齿轮产生故障时的调制现象和振动信号模型  55-57
    5.2.1 齿轮产生故障时的调制现象  55-56
    5.2.2 齿轮产生故障时的振动信号模型  56-57
  5.3 齿轮及齿轮箱振动信号处理方法研究  57-59
    5.3.1 时域分析  57-58
    5.3.2 频域分析  58-59
  5.4 采煤机截割减速器齿轮箱典型故障特征的提取  59-68
    5.4.1 断齿故障特征的提取  59-62
    5.4.2 齿形误差故障特征的提取  62-67
    5.4.3 总结  67-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章总结与展望  69-71
参考文献  71-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间发表的学术论文  75

基于虚拟样机技术的采煤机截割减速器故障仿真研究

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